Le condizioni nel nostro vasto universo possono essere molto diverse. Le violente cadute dei corpi celesti lasciano cicatrici sulla superficie dei pianeti. Le reazioni nucleari nel cuore delle stelle generano enormi quantità di energia. Gigantesche esplosioni catapulteranno la materia lontano nello spazio. Ma come procedono esattamente processi come questi? Cosa ci dicono sull'universo? Il loro potere può essere utilizzato a beneficio dell'umanità?
Per scoprirlo, gli scienziati del SLAC National Accelerator Laboratory hanno condotto esperimenti sofisticati e simulazioni al computer che ricreano le dure condizioni spaziali su scala microscopica del laboratorio.
"Il campo dell'astrofisica di laboratorio sta crescendo a un ritmo rapido ed è alimentato da una serie di scoperte tecnologiche", afferma Siegfried Glenzer, capo della divisione scientifica ad alta densità di energia presso SLAC. “Ora disponiamo di potenti laser per creare stati estremi della materia, sorgenti di raggi X avanzate per analizzare questi stati a livello atomico e supercomputer ad alte prestazioni per simulazioni complesse che guidano e aiutano a spiegare i nostri esperimenti. Con vaste opportunità in queste aree, SLAC sta diventando un terreno particolarmente fertile per questo tipo di ricerca ".
Tre studi recenti che evidenziano questo approccio coinvolgono attacchi di meteoriti, nuclei di pianeti giganti e acceleratori di particelle cosmiche milioni di volte più potenti del Large Hadron Collider, il più grande acceleratore di particelle sulla Terra.
I "gingilli" cosmici indicano meteore
È noto che l'alta pressione può trasformare la forma morbida del carbonio - la grafite, che viene utilizzata come piombo - in una forma estremamente pesante di carbonio, il diamante. Potrebbe succedere se una meteora colpisce la grafite sul terreno? Gli scienziati credono di poterlo fare e che queste cadute, in effetti, potrebbero essere abbastanza potenti da produrre quella che chiamano lonsdaleite, una forma speciale di diamante che è persino più forte di un diamante normale.
"L'esistenza della lonsdaleite è stata contestata, ma ora abbiamo trovato prove convincenti per questo", afferma Glenzer, ricercatore principale dell'articolo, pubblicato a marzo su Nature Communications.
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Gli scienziati hanno riscaldato la superficie della grafite con un potente impulso laser ottico, che ha inviato un'onda d'urto nel campione e lo ha rapidamente compresso. Trasmettendo raggi X LCLS luminosi e ultraveloci attraverso la sorgente, gli scienziati sono stati in grado di vedere come lo shock ha alterato la struttura atomica della grafite.
"Abbiamo visto la forma di lonsdaleite in alcuni campioni di grafite in pochi miliardesimi di secondo e ad una pressione di 200 gigapascal (2 milioni di volte la pressione atmosferica a livello del mare)", afferma l'autore principale Dominik Krautz del German Helmholtz Center, con sede in California. Università di Berkeley al momento della ricerca. "Questi risultati supportano fortemente l'idea che gli impatti violenti possono sintetizzare questa forma di diamante e questo, a sua volta, può aiutarci a identificare i siti di impatto delle meteoriti".
I pianeti giganti trasformano l'idrogeno in metallo
Un secondo studio, pubblicato di recente su Nature Communications, esamina un'altra importante trasformazione che potrebbe aver avuto luogo all'interno di pianeti gassosi giganti come Giove, il cui interno è per lo più idrogeno liquido: ad alta temperatura e pressione, questo materiale passa da "normale", stato elettricamente isolante in metallico, conduttivo.
"La comprensione di questo processo fornisce nuovi dettagli sulla formazione planetaria e l'evoluzione del sistema solare", afferma Glenzer, che è stato anche uno dei principali ricercatori del lavoro. "Sebbene una tale transizione fosse già prevista negli anni '30, non abbiamo mai aperto una finestra diretta ai processi atomici".
Cioè, non si sono aperti fino a quando Glenzer ei suoi colleghi scienziati non hanno condotto un esperimento al Livermore National Laboratory (LLNL), dove hanno utilizzato un laser Janus ad alta potenza per comprimere e riscaldare rapidamente un campione di deuterio liquido, una forma pesante di idrogeno, e creare un lampo di raggi X., che ha rivelato cambiamenti strutturali consistenti nel campione.
Gli scienziati hanno visto che al di sopra di una pressione di 250.000 atmosfere e una temperatura di 7.000 gradi Fahrenheit, il deuterio cambia da un liquido isolante neutro a un liquido metallico ionizzato.
"Le simulazioni al computer mostrano che la transizione coincide con la separazione di due atomi, solitamente legati insieme in molecole di deuterio", dice l'autore principale Paul Davis, uno studente laureato presso l'Università della California, Berkeley al momento della scrittura. "Apparentemente, la pressione e la temperatura dell'onda d'urto indotta dal laser strappano le molecole, i loro elettroni si liberano e possono condurre elettricità".
Oltre alla scienza planetaria, questa ricerca potrebbe anche aiutare la ricerca volta a utilizzare il deuterio come combustibile nucleare per le reazioni termonucleari.
Come costruire un acceleratore spaziale
Il terzo esempio di un universo estremo, un universo "sul bordo", sono acceleratori di particelle spaziali incredibilmente potenti - vicino a buchi neri supermassicci, per esempio - che emettono flussi di gas ionizzato, plasma, centinaia di migliaia di anni luce nello spazio. L'energia contenuta in queste correnti e nei loro campi elettromagnetici può essere convertita in particelle incredibilmente energetiche che producono lampi di raggi gamma molto brevi ma intensi che possono essere rilevati sulla Terra.
Gli scienziati vorrebbero sapere come funzionano questi acceleratori di energia, poiché aiuteranno a capire l'universo. Inoltre, da questo si potrebbero trarre nuove idee per costruire acceleratori più potenti. Dopo tutto, l'accelerazione delle particelle è al centro di molti esperimenti di fisica fondamentale e dispositivi medici.
Gli scienziati ritengono che una delle principali forze trainanti degli acceleratori spaziali potrebbe essere la "riconnessione magnetica", un processo in cui le linee del campo magnetico in un plasma si rompono e si riconnettono in un modo diverso, rilasciando energia magnetica.
"La riconnessione magnetica è stata precedentemente osservata in laboratorio, ad esempio, in esperimenti con la collisione di due plasmi creati utilizzando laser ad alta potenza", afferma Frederico Fiutsa, scienziato della High Energy Density Science Division e ricercatore principale dell'articolo teorico pubblicato a marzo su Physical Review Letters. … “Tuttavia, nessuno di questi esperimenti laser ha osservato un'accelerazione non termica delle particelle, un'accelerazione non associata al riscaldamento del plasma. Il nostro lavoro mostra che con un certo design, i nostri esperimenti dovrebbero vederlo ".
Il suo team ha eseguito una serie di simulazioni al computer che hanno predetto come le particelle di plasma dovrebbero comportarsi in tali esperimenti. I calcoli più seri, basati su 100 miliardi di particelle, hanno richiesto oltre un milione di ore di CPU e oltre un terabyte di memoria sul supercomputer Mira presso l'Argonne National Laboratory.
"Abbiamo identificato i parametri chiave per i rilevatori richiesti, incluso l'intervallo di energia in cui opereranno, la risoluzione energetica richiesta e la posizione nell'esperimento", ha detto l'autore principale Samuel Totorika, uno studente laureato alla Stanford University. "I nostri risultati rappresentano una ricetta per progettare esperimenti futuri che vorranno sapere come le particelle ottengono energia dalla riconnessione magnetica".
